ЦИКЛОН Российский патент 1997 года по МПК B04C5/103 

Изобретение относится к технике очистки газов и жидкости от загрязнений и может найти применение в разных отраслях народного хозяйства.

Известен циклон, который содержит корпус с тангенциальным входным патрубком, осевным выходным каналом и пылевыпускным отверстием, сообщающим коническую часть корпуса с бункером для сбора загрязнений [1]
Известное устройство имеет недостатки, обусловленные тем, что в нем из линейного потока среды создаются внешний нисходящий вихревой поток и внутренний восходящий вихревой поток. Вследствие этого оно имеет значительное гидравлическое сопротивление и выносит загрязнения из бункера в атмосферу, что и определяет невысокую эффективность.

Известен наиболее близкий к изобретению по технической сущности и достигаемому результату циклон, содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком и осевым выходным каналом, конический пылесборник с пылевыпускным отверстием и размещенную в корпусе перегородку, образующую со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор [2]
Известное устройство имеет недостаток невысокую эффективность, так как вихрь, сепарирующий загрязнения и транспортирующий их в пылесборник, имеет объемный (три составляющие скорости) характер и формируется из линейного потока очищаемой среды. Вследствие этого окружная составляющая скорости вихря, определяющая уровень центробежной силы и эффективности очистки, имеет малую величину.

Цель изобретения повышение эффективности.

Указанная цель достигается тем, что циклон, содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком и осевым выходным каналом, конический пылесборник с пылевыпускным отверстием и размещенную в корпусе над пылесборником на уровне нижнего края входного патрубка перегородку, образующую со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, согласно изобретению снабжен по крайней мере одной дополнительной перегородкой, образующей со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, при этом основная перегородка снабжена патрубком с осевым отверстием, сообщающим пространство между основной и дополнительной перегородками с полостью корпуса над основной перегородкой.

В результате этого из линейного потока очищаемой среды в циклоне образуется свободный плоский вихрь с двумя составляющими скорости окружной и радиальной. При этом вихрь ускоряется, то есть увеличивает окружную составляющую скорости по мере движения от периферии к центру, к стоку в осевой выходной канал. По этой причине возрастают центробежная сила, пропорциональная квадрату окружной составляющей скорости, и степень сепарации загрязнений. Одновременно вихрь имеет радиальный градиент плотности и движения, обуславливающий создание разрежения, максимальная величина которого достигается в приосевой зоне циклона. Перепад давления между периферией и приосевой зоной циклона порождает дополнительный свободный плоский вихрь в пространстве между основной и дополнительной перегородками. Этот плоский вихрь истекает через осевое отверстие патрубка в полость над основной перегородкой. Дополнительный вихрь транспортирует загрязнения в пылесборник и сепарирует их, очищая среду перед подачей ее в полость над основной перегородкой аналогично вышеописанному. Гидравлическое сопротивление снижается существенным образом, так как уменьшается объем вихря в несколько раз, а степень очистки увеличивается, что повышает эффективность циклона.

Кроме того, циклон снабжен дополнительной кольцеобразной перегородкой, образующей со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, установленной над основной перегородкой на расстоянии, соответствующем высоте входного патрубка, и с зазором относительно торцевой стенки корпуса, снабженной осевым отверстием.

В результате этого в циклоне образованы три сепарационные камеры и три плоских вихря очищаемой среды в составе общего вихря циклона. Полость между основной и дополнительной кольцеобразной перегородками является основной сепарационной камерой. Полость между основной и дополнительной перегородками является сепарационной камерой для потока, транспортирующего загрязнения из основной сепарационной камеры в пылесборник. Полость между дополнительной кольцеобразной перегородкой и торцевой стенкой корпуса является дополнительной сепарационной камерой для потока среды, истекающего из основной сепарационной камеры в направлении к осевому выходному каналу. Вихрь, истекающий из осевого отверстия дополнительной кольцеобразной перегородки, является винтовым цилиндрическим, не имеющим радиальной составляющей скорости. По этой причине часть загрязнений, не отсепарированных ранее под действием центробежной силы, отбрасывается в дополнительную сепарационную камеру и увлекается далее на периферию этой камеры вынужденным плоским вихрем. Вынужденный плоский вихрь в дополнительной сепарационной камере с радиальной составляющей скорости, направленной от центра к периферии, образован как за счет эжекции потока, истекающего из входного патрубка в основную сепарационную камеру, так и за счет потока, истекающего из основной сепарационной камеры и транспортирующего загрязнения в пылесборник. Hаправление радиальной составляющей скорости вихря от центра к периферии циклона способствует сепарации и удалению загрязнений из потока, направляющегося в осевой выходной канал. В итоге очищаемая среда подвергается двухступенчатой очистке свободным плоским вихрем основной сепарационной камеры и вынужденным плоским вихрем дополнительной сепарационной камеры.

Кроме того, циклон снабжен лопостями турбины, соединяющими между собой основную и дополнительную перегородки, установленные в корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси циклона.

В результате этого силы трения свободного плоского вихря о поверхность этих перегородок, пропорциональные квадрату окружной составляющей скорости, и лопасти вращают основную и дополнительную перегородки вокруг продольной оси циклона. По этой причине загрязнения, контактирующие с поверхностью обеих перегородок, отбрасываются на периферию циклона, так как имеют значительную окружную скорость, порождающую центробежные силы. При этом максимальная окружная скорость вращающихся перегородок имеет место на периферии перегородок, что способствует быстрому удалению загрязнений, контактирующих с поверхностью перегородок. Причем величина потерь на трение уменьшается, так как они пропорциональны квадрату скорости среды относительно поверхности, а относительная скорость при вращении перегородок уменьшается почти в два раза. При этом сами потери на трение, вращая перегородки, используются на сепарацию и удаление загрязнений.

Кроме того, циклон снабжен лопастями турбины, соединяющими между собой основную и дополнительную кольцеобразную перегородки, установленные в корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси циклона.

В результата этого лопасти турбины и силы трения среды о поверхность всех перегородок вращают перегородки, способствуя сепарации и удалению всех загрязнений, контактирующих с поверхностью вращающихся перегородок. При этом вращающаяся поверхность дополнительной кольцеобразной перегородки увеличивает радиальную составляющую скорости вихря в дополнительной сепарационной камере, которая там направлена от центра к периферии.

Кроме того, циклон снабжен вспомогательной перегородкой, образующей со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, жестко закрепленной в корпусе со стороны пылесборника с зазором относительно дополнительной перегородки.

В результате этого полость пылесборника экранируется от вращающейся дополнительной перегородки, что исключает наведение вихря в полости пылесборника и способствует быстрому осаждению загрязнений в пылесборнике.

Кроме того, дополнительная кольцеобразная перегородка со стороны, обращенной к торцевой стенке корпуса, снабжена лопастями вентилятора.

В результате этого повышается радиальная и окружная составляющие скорости вихря в дополнительной сепарационной камере, что способствует сепарации и удалению загрязнений из потока среды, направляемого в осевой выходной канал.

Кроме того, осевой выходной канал соединен с осевым отверстием дополнительной кольцеобразной перегородки посредством патрубка с каналами, сообщающими полость патрубка с полостью корпуса, образованной этой дополнительной перегородкой и торцевой стенкой корпуса.

В результате этого загрязнения, которые контактируют с поверхностью патрубка, тормозятся и вынужденным вихревым потоком удаляются из патрубка в дополнительную сепарационную камеру через каналы в патрубке.

Кроме того, диаметр осевого отверстия в дополнительной кольцеобразной перегородке больше диаметра осевого выходного канала.

В результате этого часть винтового цилиндрического вихря, которая наиболее загрязнена, отсекается и направляется не в осевой выходной канал, а в дополнительную сепарационную камеру. Циркуляция части наиболее загрязненного потока среды по замкнутому контуру обеспечивает коагуляцию частиц и сепарацию их.

Кроме того, осевой выходной канал выполнен со щелевым диффузором, образованным торцевой стенкой корпуса и диском, который установлен с зазором и соосно тносительно торцевой стенки корпуса.

В результате этого уменьшается осевая и увеличивается окружная составляющая скорости вихря, направляемого в осевой выходной канал, что снижает вынос загрязнений через выходной канал и повышает эффективность очистки.

В технике известно применение перегородок, кольцевых зазоров, лопастей турбины и вентилятора. Однако новая совокупность известных признаков проявляет новые свойства сепарацию загрязнений плоским вихрем, двухступенчатую сепарацию загрязнений, сепарацию загрязнений транспортирующего потока отдельным плоским вихрем. Новые свойства обеспечивают достижение положительного результата повышение эффективности.

На фиг. 1 схематически изображено устройство с двумя перегородками; на фиг.2 лопасти турбины между двумя перегородками, поперечный разрез; на фиг.3 устройство со вспомогательной перегородкой; на фиг.4 устройство с тремя перегородками; на фиг.5 устройство с лопастями турбины между двумя перегородками основной и дополнительной кольцеобразной; на фиг. 6 - устройство с лопастями турбины между тремя перегородками; на фиг.7 - устройство с лопастями вентилятора; на фиг.8 устройство с креплением дополнительной кольцеобразной перегородки на патрубке; на фиг.9 устройство с разными диаметрами осевых отверстий в дополнительной кольцеобразной перегородке и в торцевой стенке корпуса; на фиг. 10 устройство со щелевым диффузором; на фиг.11 устройство с патрубком осевого выходного канала в корпусе; на фиг. 12 устройство с патрубком выходного осевого канала и разными диаметрами осевых отверстий; на фиг. 13 устройство с цилиндрической камерой на выхлопе; на фиг.14 показано расположение лопастей турбины вблизи от продольной оси устройства; на фиг.15 устройство с выходным патрубком; на фиг. 16 устройство с двумя рабочими колесами турбины.

Устройство содержит корпус 1 с тангенциальным входным патрубком 2 и осевым выходным каналом 3, конический пылесборник 4 с пылевыпускным отверстием 5, перегородки 6 и 7.

Корпус 1 имеет цилиндрическую 8 и коническую 9 части, торцевую стенку 10. Внутри корпуса 1 на уровне нижнего края входного патрубка 2 закреплена основная перегородка 6 с патрубком 11, в котором выполнено сквозное осевое отверстие 12. Перегородка 6 с поверхностью корпуса 1 образует кольцевой пылеотводящий зазор 13. Ниже перегородки 6 с зазором 14 установлена перегородка 7, которая с поверхностью корпуса 1 образует кольцевой пылеотводящий зазор 15. Ниже перегородки 7 расположен пылесборник 4. Осевой выходной канал 3 может быть выполнен в виде отверстия в торцевой стенке 10 или в патрубке, а выполнен он диаметром d. Цилиндрическая часть 8 корпуса 1 выполнена диаметром D и образует основную сепарационную камеру 16, расположенную над перегородкой 6.

Работает устройство следующим образом.

При подаче очищаемой среды во входной патрубок 2 линейный поток этой среды истекает в камеру 16, закручивается и образует свободный плоский вихрь, имеющий только окружную и радиальную составляющие скорости. Плоский вихрь ускоряется по мере движения от периферии к центру к стоку в выходной осевой канал 3. То есть вихрь увеличивает окружную составляющую скорости пропорционально отношению (D/d)ⁿ, где n<1. Центробежная сила, пропорциальная квадрату окружной составляющей скорости, создает градиент плотности давления среды в радиальном направлении и разрежение, максимальная величина которого достигается в приосевой зоне вихря (камеры 16). Центробежная сила сепарирует загрязнения, отбрасывая их на периферию вихря (устройства). Перепад давления между периферией и приосевой зоной устройства образует дополнительный поток очищаемой среды через зазоры 13 и 14 в осевой канал 12. При этом в зазоре 14 создается свободный плоский вихрь, который сепарирует загрязнения аналогично вихрю в камере 16. Дополнительный поток транспортирует загрязнения из камеры 16, которые через кольцевой зазор 15 выпадают в пылесборник 4 при изменении направления потока и формировании плоского вихря в зазоре 14.

Возможно, когда лопасти 17 турбины соединяют перегородки 6 и 7 между собой в одно целое. Перегородки 6 и 7 установлены в корпусе 1 с помощью подшипникового узла 18 с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства. Лопасти 17 могут быть установлены как на периферии перегородок 6 и 7, так и вблизи от продольной оси устройства. Размещение лопастей 17 ближе к продольной оси повышает скорость вращения перегородок 6 и 7, так как окружная скорость вихря в этой зоне максимальная.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что лопасти 17 и силы трения среды о поверхность перегородок 6 и 7 вращают перегородки 6 и 7. Загрязнения, контактирующие с поверхностью перегородок 6 и 7, приобретают соответствующую месту контакта окружную скорость и подвергаются воздействию центробежной силы, которая отбрасывает эти загрязнения на периферию устройства. При этом максимальная окружная скорость соответствует периферии перегородок 6 и 7, что способствует быстрому удаления загрязнений с поверхности перегородок 6 и 7 в зазоры 13 и 15. Одновременно вращающиеся лопасти 17 препятствуют попаданию загрязнений в приосевую зону и в осевое отверстие 12, отбрасывая их в зазор 14. При этом потери на трение потока среды о поверхность перегородок 6 и 7 повышают степень очистки среды.

Возможно, когда вспомогательная перегородка 19 жестко закреплена на корпусе 1, экранируя пылесборник 4 от вращающихся перегородок 6 и 7. При этом перегородка 19 с поверхностью корпуса 1 образует кольцевой пылеотводящий зазор 20.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что в пылесборнике 4 вращающиеся перегородки 6 и 7 не наводят вихря, что способствует быстрому осаждению загрязнений в нем.

Возможно, когда устройство имеет дополнительную кольцеобразную перегородку 21 с осевым отверстием 22 и кольцевым зазором 23 относительно поверхности корпуса 1. Перегородка 21 установлена от основной перегородки 6 на расстоянии H, соответствующем высоте входного патрубка 2, и с зазором 24 относительно торцевой стенки 10 корпуса 1.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что вихревой поток среды, истекающий из камеры 16 через осевое отверстие 22, не имеет радиальной составляющей скорости, что обуславливает сепарацию части загрязнений и удаление их в зазор 24. При этом в зазоре 24 образуется вынужденный плоский вихрь, имеющий радиальную составляющую скорости, которая направлена от центра к периферии. Вследствие этого отсепарированные загрязнения удаляются вихрем на периферию зазора 24 и далее через зазор 23 в основную сепарационную камеру 16. Вынужденный плоский вихрь создан вихрем в зазоре 14 и за счет эжекции, создаваемой линейным потоком очищаемой среды, истекающим из патрубка 2 в камеру 16. Вследствие этого часть наиболее загрязненной среды циркулирует по замкнутому контору камера 16, отверстие 22, зазоры 24 и 23, камера 16, обеспечивая коагуляцию мелких и мельчайших частиц загрязнений.

Возможно, когда лопасти 25 турбины соединяют основную перегородку 6 и дополнительную кольцеобразную перегородку 21 в одно целое. При этом перегородки 6 и 21 установлены в корпусе 1 с помощью подшипникового узла 26 с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства. Лопасти 25 могут быть установлены на периферии перегородок 6 и 21 или ближе к продольной оси устройства вблизи осевого отверстия 22. Причем перегородка 21 жестко соединена с патрубком 27, имеющим сквозные отверстия 23 и фланец 29.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что вращающиеся перегородки 6 и 21 удаляют загрязнения с поверхности этих перегородок в зазоры 13 и 23, а вращающаяся перегородка 21 усиливает поток через зазор 24, так как работает подобно вентилятору трения. Циркуляция части наиболее загрязненной среды происходит по замкнотому контуру камера 16, патрубок 27, отверстия 23, зазоры 24 и 23, камера 16.

Возможно, когда все три перегородки 6, 7, 21 снабжены лопостями 17 и 25 турбины, соединяющими их в одно целое. Эти перегородки установлены с помощью подшипникового узла 30 с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что загрязнения, контактирующие с поверхностью перегородок 6, 7 и 21, удаляются на периферию устройства.

Возможно, когда на перегородке 21 со стороны, обращенной к зазору 24, выполнены лопасти 31 вентилятора, которые нагнетают очищаемую среду в зазор 23, обеспечивая требуемый расход среды, циркулирующей по замкнутому контуру.

Возможно, когда устройство с тремя перегородками 6, 7 и 21 выполнено с патрубком 32, имеющим сквозные отверстия 33 и жестко соединяющим торцевую стенку 10 с дополнительной перегородкой 21.

Работает исполнение аналогично описанному.

Возможно, когда канал в патрубке 32 и осевой канал 22 в перегородке 21 выполнены одинаковым диаметром, который больше диаметра осевого канала 3.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что часть вихревого потока отсекается меньшим по диаметру каналом 3 и направляется в отверстия 33 для циркуляции по замкнутому контуру.

Возможно, когда осевое отверстие 22 в перегородке 21 выполнено диаметром большим, чем диаметр осевого канала 3.

Работает исполнение аналогично описанному, направляя часть вихря в зазор 24.

Возможно, когда устройство снабжено диском 34, который установлен на корпусе 1 соосно торцевой стенке 10 и с зазором 35, образуя щелевой диффузор.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что диск препятствует натеканию окружающей среды в приосевую зону устройства, а это уменьшает потери энергии и обеспечивает высокий уровень разрежения в приосевой зоне устройства, обуславливая стабильную работу.

Возможно, когда осевой выходной канал 3 выполнен в патрубке 36, размещенном внутри корпуса 1. При этом диаметр канала 3 меньше диаметра осевого отверстия 22 в перегородке 21.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что патрубок 36 отсекает часть наиболее загрязненного потока среды и направляет ее в зазор 24 для циркуляции по замкнутому контуру.

Возможно, когда устройство выполнено с патрубком 37, установленным на торцевой стенке 10 и имеющим осевой выходной канал 3, работает аналогично описанному.

Возможно, когда устройство выполнено с цилиндрической камерой 38 и тангенциальным каналом 39, которые расположены над торцевой стенкой 10. Канал 39 может быть выполнен в виде линейного диффузора.

Работает исполнение аналогично описанному за исключении того, что камера 38 не только препятствует натеканию окружающей среды в устройство, но и замедляет вихревой поток, повышая статистическое давление среды, а канал 39 превращает вихрь в линейный поток и замедляет его. Одновременно обеспечивается подключение трубопровода к устройству.

Возможно, когда рабочее колесо 40 с лопастями 17 и перегородками 6, 21 установлено с помощью подшипникового узла 41 на фланце 42 рабочего колеса 43, имеющего лопасти 44, перегородку 7 и установленного с помощью подшипникового узла 45 на корпусе 1 с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства. Тем самым обеспечивается автономное вращение рабочих колес 40 и 43 с разными скоростями, что позволяет адаптировать устройство к разным условиям работы расходу среды через зазор 14, концентрации загрязнений, скорости основного и транспортирующего загрязнения вихревых потоков и т. д.

Работает исполнение аналогично описанному за исключением того, что рабочие колеса 40 и 43 вращаются с разной скоростью.

Устройства для очистки жидкости работают аналогично.

Техническое решение, обладая свойствами сепарации загрязнений плоским вихрем, двухступенчатой сепарации основного потока среды, сепарации загрязнений транспортирующего потока отдельным плоским вихрем, имеет следующие преимущества: высокую степень очистки среды, малые габаритные размеры и материалоемкость, низкое гидравлическое сопротивление, малый расход энергии на очистку.

Изобретение относится к технике очистки газов и жидкости от загрязнений и может найти применение в разных отраслях народного хозяйства. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с тангенциальным выходным каналом и конический пылесборник с пылевыпускным отверстием, перегородки. Hовым является применение дополнительных перегородок, причем основная перегородка имеет патрубок с осевым каналом, а кольцевая перегородка имеет осевое отверстие. В устройстве используются лопасти турбины для соединения перегородок между собой и установка их с возможностью вращения вокруг продольной оси циклона. 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Циклон, содержащий корпус с тангенциальным входным патрубком и осевым выходным каналом, конический пылесборник с пылевыпускным отверстием и размещенную в корпусе над пылесборником на уровне нижнего края входного патрубка перегородку, образующую со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одной дополнительной перегородкой, образующей со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, при этом основная перегородка снабжена патрубком с осевым отверстием, сообщающим пространство между основной и дополнительной перегородками с полостью корпуса над основной перегородкой. 2. Циклон по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной кольцеобразной перегородкой, образующей со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, установленной над основной перегородкой на расстоянии, соответствующем высоте входного патрубка, и с зазором относительно торцевой стенки корпуса, снабженной осевым отверстием. 3. Циклон по п.1, отличающийся тем, что он снабжен лопастями турбины, соединяющими между собой основную и дополнительную перегородки, установленные в корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси циклона. 4. Циклон по пп.2 и 3, отличающийся тем, что он снабжен лопастями турбины, соединяющими между собой основную и дополнительную кольцеобразную перегородки, установленные в корпусе с возможностью вращения вокруг продольной оси циклона. 5. Циклон по пп.3 и 4, отличающийся тем, что он снабжен вспомогательной перегородкой, образующей со стенкой корпуса кольцевой пылеотводящий зазор, жестко закрепленной в корпусе со стороны пылесборника с зазором относительно дополнительной перегородки. 6. Циклон по п.4, отличающийся тем, что дополнительная кольцеобразная перегородка со стороны, обращенной к торцевой стенке корпуса, снабжена лопастями вентилятора. 7. Циклон по п.2, отличающийся тем, что осевой выходной канал соединен с осевым отверстием дополнительной кольцеобразной перегородки посредством патрубка с каналами, сообщающими полость патрубка с полостью корпуса, образованной этой дополнительной перегородкой и торцевой стенкой корпуса. 8. Циклон по пп.2 и 7, отличающийся тем, что диаметр осевого отверстия в дополнительной кольцеобразной перегородке больше диаметра осевого выходного канала. 9. Циклон по пп. 1 8, отличающийся тем, что осевой выходной канал выполнен с щелевым диффузором, образованным торцевой стенкой корпуса и диском, который установлен с зазором и соосно относительно торцевой стенки корпуса.